連桿式七輥矯直機分析及計算

桂 林

(中冶南方工程技術(shù)有限公司冷軋成套設(shè)備分公司 湖北武漢430223)

連桿式七輥矯直機分析及計算

桂 林

(中冶南方工程技術(shù)有限公司冷軋成套設(shè)備分公司 湖北武漢430223)

以連桿式七輥矯直機為對象，通過分析力能參數(shù)計算、輥系壓下量的設(shè)定及壓下量精度模型的建立，為合理設(shè)定該類矯直機工作輥的壓下規(guī)程、提高板帶矯直質(zhì)量提供了一種簡便可行的方法。

矯直機 連桿式 參數(shù)計算 壓下量 精度 建模

1 概述

帶鋼矯直機是冷軋薄板生產(chǎn)線上的關(guān)鍵設(shè)備，用以消除板材的波浪彎和瓢曲等板形缺陷。合理地選擇矯直機工藝參數(shù)，確定最佳的壓下量，對提高鋼板的矯直質(zhì)量有著重要的意義。為此，本文以某廠七輥矯直機為研究對象，為現(xiàn)場合理設(shè)定矯直機工作輥的壓下規(guī)程、提高板帶矯直質(zhì)量提供了一種簡便可行的方法。

本背景工廠的酸軋聯(lián)機采用了外方(SIEMAG)設(shè)計的七輥矯直機，其結(jié)構(gòu)見圖1。

該七輥矯直機主要由矯直輥、保護(hù)輥、主傳動、輥縫調(diào)整機構(gòu)等系統(tǒng)組成。由圖1可看出，矯直輥為三上四下布置。上輥通過兩個液壓缸實現(xiàn)快速打開，并由兩套偏心軸連桿機構(gòu)組成的系統(tǒng)實現(xiàn)輥縫的調(diào)整。該七輥矯直機的輥縫調(diào)節(jié)不同于以往常見的機型，通常的調(diào)整機構(gòu)均為上輥單獨調(diào)整，由齒輪電機驅(qū)動升降機實現(xiàn)輥縫調(diào)節(jié)。該機型直接由齒輪電機驅(qū)動偏心軸連桿機構(gòu)一次調(diào)節(jié)即可實現(xiàn)三個輥子的同步調(diào)節(jié)，其機構(gòu)可簡化為圖2，后文將對輥縫調(diào)整作詳細(xì)論述。

圖1 桿式七輥矯直機(偏心軸傳動部分未示出)

圖2 連桿機構(gòu)示意圖

2 作用在矯直輥上的力(矯直力)

1)作用在矯直機輥子上的力可按照帶鋼彎曲時所需的力矩來計算。此時，將帶鋼看成受很多集中載荷的連續(xù)梁，這些集中載荷就是各個輥對帶鋼的力，它們在數(shù)值上等于冷軋帶鋼對輥子的力。

圖3 矯直輥受力分析

如圖3，各輥子上的力可以根據(jù)帶鋼斷面的力矩平衡條件求出，即：

作用在上下排輥子上的力之和為：

2)假設(shè)：

(1)帶鋼在第2、3、4輥處，變形較大，所受的彎曲力矩為塑性彎曲力矩Ms；

(2)帶鋼在第6輥處，變形較小，所受的彎曲力矩為屈服力矩Mw；

(3)帶鋼在第5輥處，所受的彎曲力矩為屈服力矩Mw和塑性彎曲力矩Ms的平均值。

即：

M2+M3+M4=Ms

M5=(Ms+Mw)/2

M6=Mw

式中t—矯直輥輥距；Mi—帶鋼在第i輥子上的彎曲力矩；Mw—帶鋼的屈服力矩；Ms—帶鋼的塑性彎曲力矩。

將上述三假設(shè)代入各輥子受力公式，可得出各輥子矯直力公式：

由以上可以看出，在上述三個假設(shè)的前提下，第1輥至第3輥的矯直力是遞增的，第3輥矯直力為最大值，然后，矯直力開始遞減，第7輥矯直力為最小值。

被矯直帶鋼的屈服極限σs為550MPa，寬度b為800mm～1900mm，厚度h為1.6mm～6.0mm，t為200mm，形狀系數(shù)e對應(yīng)矩形截面的帶鋼取值為1.5。

根據(jù)帶鋼的塑性彎曲力矩計算公式，可得：

P1=94.05kN

P2=282.15kN

P3=376.2kN

P4=346.475kN

P5=257.32kN

P6=133.525kN

P7=34.6kN

∑P=1524.32kN

3 冷軋帶鋼彈塑性變形矯直力矩計算

1)在矯直機上，帶鋼是隨著矯直機的轉(zhuǎn)動不斷前進(jìn)并反復(fù)彎曲的，矯直輥上的扭矩按功能原理來確定，矯直過程可以按以下假設(shè)進(jìn)行分析：

(1)各輥的彎曲力矩Mi均是塑性彎曲力矩Ms；

(2)彈復(fù)變形不屬于耗能變形；

其中矩形截面的帶鋼可以按下式計算：

帶鋼的最小變形矯直方案的殘余應(yīng)力曲率的最大值為：

平均原始曲率為：

可以計算出矯直輥上的矯直力矩：

4 矯直機功率的計算

矯直機主傳動電機功率可以按下式計算：

式中Mk—矯直力矩，kN·m； ∑P—作用的輥子上的力之和，kN；f—輥子與帶鋼的滾動摩擦因數(shù)(有量綱)，對于鋼板f=0.0002m，如考慮出現(xiàn)較大的滑動摩擦，則對于鋼板f=0.0008m；

μ—輥子軸承的摩擦系數(shù)，滾動軸承μ=0.005，滾針軸承μ=0.01，滑動軸承μ=0.05～0.07；

D—輥子的直徑，D=180m；

d—輥子軸承處直徑取中徑，d=135.4m；

v—矯直最大速度，v=2m/s；

η—傳動效率，η=0.85～0.7(有支撐輥時，取較小值)。

根據(jù)上述公式，可得：

P功=99.3kW，實際選型為110kW。

5 輥系壓下量的設(shè)定及其精度的模型

該七輥矯直機的輥縫調(diào)節(jié)不同于以往常見的機型，通常的調(diào)整機構(gòu)均為上輥單獨調(diào)整，由齒輪電機驅(qū)動升降機實現(xiàn)輥縫調(diào)節(jié)。該機型則由兩臺齒輪電機分別驅(qū)動兩個偏心軸帶動連桿機構(gòu)，通過一次調(diào)節(jié)即可實現(xiàn)三個輥子壓下量的同步調(diào)節(jié)。

下面從該機型結(jié)構(gòu)特征，推導(dǎo)其壓下量設(shè)定值與偏心機構(gòu)的關(guān)系。壓下量為0的初始位，如圖4。

壓下量調(diào)整齒輪電機軸線分別與A、B兩點重合，其分別驅(qū)動偏心軸使得K、J兩點分別繞

圖4 矯直輥初始位連桿機構(gòu)示意圖

A、B兩點作圓周運動，進(jìn)而調(diào)整HK與GJ的長度組合，最終通過五連桿機構(gòu)實現(xiàn)上矯直輥組的3個矯直輥實現(xiàn)不同的壓下量。

1)通過設(shè)定壓下量，求偏心軸旋轉(zhuǎn)角度：

已知:坐標(biāo)(Xb,Yb),(Xc,Yc),(Xd,Yd)；線段L1=BJ，L2=GJ，L3=CG，L4=EG，L5=EH，L6=HK，L7=AK，L8=EF；角度α1=∠FEG，α2=∠GEH，矯直輥直徑D=180mm；輸入壓下量Y1，Y2。

求：KA角度β1，JB角度β2。

依據(jù)幾何關(guān)系可先后求得：

坐標(biāo)(Xe,Ye),(Xf,Yf),(Xg,Yg),(Xh,Yh)；FE角度β=arcsin[(Yf-Ye)/L8]

(525.913≤L10≤555.913,由連桿機構(gòu)結(jié)構(gòu)限制)

2)通過偏心軸旋轉(zhuǎn)角度值，求壓下量實際值，并得出壓下量控制精度：

已知條件同前，輸入KA角度β1，JB角度β2。

求：實際壓下量Y1a，Y2a

Y1a=Yd+D-Ye；Y2a=Yd+D-Yf

依據(jù)幾何關(guān)系可先后求得：

坐標(biāo)(Xj,Yj),(Xg,Yg),(Xk,Yk),(Xh,Yh)

arccos[(Xg-Xb)/L10]

Xe′=Xh+L5×cosγ3；Ye′=Yh-L5×sinγ3

Xf′=Xe′+L8×cosγ4；Yf′=Ye′+L8×sinγ4

壓下量調(diào)整精度：

值得注意的是3#輥的壓下量是不能單獨調(diào)整，其坐標(biāo)與1#、2#輥存在如下關(guān)系：

X3=2Xf-Xe；Y3=2-Yf-Ye

對應(yīng)的其壓下量與1#、2#輥壓下量存在如下關(guān)系：

Y3=2-Y2-Y1

圖5 連桿式七輥矯直機

圖6 連桿機構(gòu)示意圖

6 結(jié)論

本酸軋聯(lián)機連桿式七輥矯直機投產(chǎn)三年多來，運行狀況良好，實踐證明計算結(jié)果和計算方法是正確的，可以將該計算方法應(yīng)用于同類工況的矯直機的設(shè)計及校核。

目前類似的連桿式七輥矯直機也已出現(xiàn)，如圖5；其通過帶內(nèi)置線性位移傳感器的液壓缸代替偏心軸機構(gòu)對HK與GJ的長度的調(diào)整，直接由液壓缸通過不同行程的匹配來實現(xiàn)AH與BG的長度變化組合，如圖6，當(dāng)然最終還是通過連桿機構(gòu)實現(xiàn)上矯直輥組的3個矯直輥實現(xiàn)不同的壓下量。相比較而言，使用內(nèi)置線性位移傳感器的液壓缸代替齒輪電機驅(qū)動的偏心軸機構(gòu)，使得矯直輥壓下量的控制更直接也更簡單。

事實證明這類連桿式七輥矯直機，沒有了常見機型外露的滑槽摩擦面，將所有運動的部件都保護(hù)起來，避免了因為氧化鐵皮的堆積造成滑動面的磨損及損壞，減少了設(shè)備的維護(hù)量；而且連桿式結(jié)構(gòu)在矯直輥換輥時可以全部打開，因而提高了換輥操作的便利性及設(shè)備的使用率。連桿式矯直機結(jié)構(gòu)尺寸更加緊湊、重量輕、造價更低，具有很好的經(jīng)濟效益和社會效益，值得大力推廣。

[1]鄒家祥.軋鋼機械.北京：冶金工業(yè)出版社，1995.

[2]崔甫.矯直理論與參數(shù)計算.重型機械,2002(7).

[3]周國盈.帶鋼精整設(shè)備.北京：機械工業(yè)出版社，1979.

Analysis and Calculation of Seven-roll Leveller with Linkage Mechanisms

Gui Lin

(Cold Roll Complete Set Equipment Branch, WISDRI Engineering & Research Incorporation Limited, Wuhan 430223)

Based on the seven-roll leveller with linkage mechanisms, calculation of mechanical parameters and principle of straightener roll reduction were analyzed, modeling the accuracy of straightener roll reduction, which provided a simply and feasible method for setting the principle of roller reduction and improving the quality of strip straightening.

Leveller Linkage mechanisms Calculation of parameters Roller reduction Accuracy Modeling

桂林，男，1979年出生，2002年畢業(yè)于華中科技大學(xué)機械工程及其自動化專業(yè)，高級工程師，主要從事冷軋設(shè)備設(shè)計及研究工作

TG333.23

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.04.003

2014—03—09)